CH653808A5 - NON-AQUEOUS CELL COMPRISING A LIQUID CATHODE, AN ACTIVE ANODE, A CATHODE COLLECTOR AND A SEPARATOR ARRANGED BETWEEN THE ANODE AND THE COLLECTOR. - Google Patents

NON-AQUEOUS CELL COMPRISING A LIQUID CATHODE, AN ACTIVE ANODE, A CATHODE COLLECTOR AND A SEPARATOR ARRANGED BETWEEN THE ANODE AND THE COLLECTOR. Download PDF

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CH653808A5
CH653808A5 CH3601/83A CH360183A CH653808A5 CH 653808 A5 CH653808 A5 CH 653808A5 CH 3601/83 A CH3601/83 A CH 3601/83A CH 360183 A CH360183 A CH 360183A CH 653808 A5 CH653808 A5 CH 653808A5
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cathode
anode
separator
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CH3601/83A
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Ronald Leo Zupancic
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Union Carbide Corp
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Description

L'invention concerne une pile non aqueuse comprenant une cathode liquide telle qu'un oxyhalogénure, un halogénure et/ou de l'anhydride sulfureux liquide, une anode active telle que du lithium, un collecteur de cathode tel qu'un collecteur carboné, et un séparateur disposé entre ladite anode et ledit collecteur, et dans laquelle ledit séparateur comprend un mélange uniforme de 85 à 95% en poids de fibres de verre ayant une longueur sensiblement uniforme, et de 15 à 5% en poids de liant. The invention relates to a non-aqueous cell comprising a liquid cathode such as an oxyhalide, a halide and / or liquid sulfur dioxide, an active anode such as lithium, a cathode collector such as a carbon collector, and a separator disposed between said anode and said collector, and wherein said separator comprises a uniform mixture of 85 to 95% by weight of glass fibers having a substantially uniform length, and 15 to 5% by weight of binder.

Le développement continuel d'appareils électriques portatifs tels que des enregistreurs et des lecteurs de bandes, des émetteurs et des récepteurs radio et autres, crée une demande continue portant sur le développement de piles ou batteries fiables, d'une longue durée de vie en service, pour leur fonctionnement. Les systèmes de piles électrochimiques récemment développés, qui présentent une longue durée de vie en service, utilisent des matières d'anode hautement réactives telles que du lithium, du sodium et autres, conjointement avec des matières de cathode liquides non aqueuses à densité d'énergie élevée et un sel convenable. The continual development of portable electrical devices such as tape recorders and players, radio transmitters and receivers and the like, creates a continuing demand for the development of reliable batteries with long service life , for their operation. Newly developed electrochemical cell systems, which have a long service life, use highly reactive anode materials such as lithium, sodium and the like, in conjunction with non-aqueous, energy density cathode materials high and a suitable salt.

Il a été récemment indiqué dans la littérature que certaines matières sont capables d'agir à la fois en tant que support d'électrolyte, c'est-à-dire comme solvant pour le sel d'électrolyte, et comme cathode active pour une pile électrochimique non aqueuse. Le brevet britannique N° 1409307 décrit une pile électrochimique non aqueuse comprenant une anode, un collecteur de cathode et une cathode-électrolyte, ladite cathode-électrolyte comprenant une solution d'un soluté ioniquement conducteur dissous dans un dépolariseur de cathode active, où ledit dépolariseur de cathode active comprend un oxyhalogénure liquide d'un élément du groupe V ou du groupe VI du tableau périodique. Le tableau périodique est le tableau périodique des éléments tel que donné sur la page intérieure de la couverture arrière de «The Handbook of Chemistry and Physics», 48e éd., The Chemical Rubber Co., Cleveland, Ohio, 1967-1968. Par exemple, de telles matières non aqueuses de cathode peuvent comprendre du chlorure de sulfuryle, du chlorure de thionyle, de l'oxychlorure de phosphore, du bromure de thionyle, du chlorure de chromyle, du tribromure de vanadyle et de l'oxychlorure de sélénium. It has recently been indicated in the literature that certain materials are capable of acting both as an electrolyte support, that is to say as a solvent for the electrolyte salt, and as an active cathode for a battery. non-aqueous electrochemical. British Patent No. 1409307 describes a non-aqueous electrochemical cell comprising an anode, a cathode collector and a cathode-electrolyte, said cathode-electrolyte comprising a solution of an ionically conductive solute dissolved in an active cathode depolarizer, where said depolarizer of active cathode includes a liquid oxyhalide of an element of group V or group VI of the periodic table. The periodic table is the periodic table of the elements as given on the inside page of the back cover of "The Handbook of Chemistry and Physics", 48th ed., The Chemical Rubber Co., Cleveland, Ohio, 1967-1968. For example, such non-aqueous cathode materials may include sulfuryl chloride, thionyl chloride, phosphorus oxychloride, thionyl bromide, chromyl chloride, vanadyl tribromide and selenium oxychloride .

Une autre classe de matières de cathode liquide peut être les ha-logénures d'un élément du groupe IV au groupe VI du tableau périodique. Par exemple, une telle matière de cathode non aqueuse peut comprendre du monochlorure de soufre, du monobromure de soufre, du tétrafluorare de sélénium, du monobromure de sélénium, du chlorure de thiophosphoryle, du bromure de thiophosphoryle, du pentafluorure de vanadium, du tétrachlorure de plomb, du tétrachlorure de titane, du pentafluorure de soufre, du monobromuretri-chlorure d'étain, du dibromuredichlorure d'étain et du tribromure-monochlorure d'étain. Another class of liquid cathode materials may be the halides of an element from group IV to group VI of the periodic table. For example, such a non-aqueous cathode material may include sulfur monochloride, sulfur monobromide, selenium tetrafluorare, selenium monobromide, thiophosphoryl chloride, thiophosphoryl bromide, vanadium pentafluoride, tetrachloride lead, titanium tetrachloride, sulfur pentafluoride, monobromuretri-tin chloride, tin dibromuredichloride and tribromide-tin monochloride.

Cependant, un inconvénient possible de l'utilisation d'une cathode liquide telle que du chlorure de thionyle est que, si elle n'est pas répartie uniformément le long de la surface d'une anode, telle que du lithium, par l'intermédiaire d'un séparateur, une consommation non uniforme de l'anode risque alors d'apparaître et peut avoir pour résultat une faible tension de sortie, en particulier à des débits de décharge élevés, et de plus longs retards de tension après l'emmagasinage. De plus, une répartition non uniforme de la cathode liquide pouvant résulter d'un mouillage non uniforme du séparateur par la cathode liquide peut provoquer une dissolution non uniforme de l'anode. Cette dissolution non uniforme de l'anode peut provoquer la formation sur l'anode de points hauts et de plateaux qui peuvent avoir pour résultat possible un échauffement localisé pendant la charge (condition abusive) et peuvent conduire à la possibilité d'une fusion de l'anode en ces points distincts. Cela peut conduire à une ventilation violente de la pile ou même à un désassem-blage de la pile. On pense que le mouillage non uniforme du séparateur par la cathode liquide est à l'origine d'une diminution de la puissance utile de la pile. However, a possible disadvantage of using a liquid cathode such as thionyl chloride is that, if it is not distributed uniformly along the surface of an anode, such as lithium, through of a separator, non-uniform consumption of the anode may then appear and may result in a low output voltage, in particular at high discharge rates, and longer voltage delays after storage. In addition, a non-uniform distribution of the liquid cathode which may result from non-uniform wetting of the separator by the liquid cathode can cause non-uniform dissolution of the anode. This non-uniform dissolution of the anode can cause the formation on the anode of high points and plates which can have the possible result of localized heating during charging (abusive condition) and can lead to the possibility of a fusion of the anode at these separate points. This can lead to violent ventilation of the battery or even disassembly of the battery. It is believed that the non-uniform wetting of the separator by the liquid cathode is the source of a reduction in the useful power of the cell.

L'invention a donc pour objet une pile comprenant une cathode liquide avec un séparateur qui peut être mouillé uniformément par la cathode liquide, résultant ainsi en un comportement amélioré à la décharge de la pile, en particulier lors d'une décharge à débit élevé, et en des caractéristiques de sécurité améliorées de la pile. The subject of the invention is therefore a battery comprising a liquid cathode with a separator which can be wetted uniformly by the liquid cathode, thus resulting in an improved behavior when discharging the battery, in particular during a discharge at high flow rate, and improved battery safety features.

L'invention concerne une pile non aqueuse comprenant une cathode liquide, une anode active, un collecteur de cathode, et un séparateur disposé entre ladite anode et ledit collecteur, caractérisée par le fait que le séparateur comprend un mélange uniforme de 85 à 95% en poids de fibres de verre et de 15 à 5% en poids de liant, lesdites fibres de verre ayant une longueur de 3,18 à 12,70 mm et un diamètre de 2 à 8 (xm. et dans le fait que 90% des fibres diffèrent de moins de 20% de la longueur moyenne des fibres et diffèrent de moins de 20% du diamètre moyen des fibres. The invention relates to a non-aqueous cell comprising a liquid cathode, an active anode, a cathode collector, and a separator arranged between said anode and said collector, characterized in that the separator comprises a uniform mixture of 85 to 95% in weight of glass fibers and 15 to 5% by weight of binder, said glass fibers having a length of 3.18 to 12.70 mm and a diameter of 2 to 8 (xm. and in the fact that 90% of the fibers differ by less than 20% from the average fiber length and differ by less than 20% from the average fiber diameter.

Le séparateur utilisé dans la pile selon l'invention est de préférence poreux pour pouvoir absorber efficacement la cathode liquide. En général, une porosité de 25% ou plus, de préférence d'environ 50 à 75%, convient à la plupart des applications à des piles. Le sépara5 The separator used in the cell according to the invention is preferably porous in order to be able to efficiently absorb the liquid cathode. In general, a porosity of 25% or more, preferably about 50 to 75%, is suitable for most battery applications. Separated him5

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teur devrait avoir environ 85 à 95% en poids de fibres de verre et environ 5 à 15% en poids de liant, et de préférence environ 91 à 94% en poids de fibres de verre et environ 9 à 6% en poids de liant. Une quantité de fibres de verre supérieure à 95% en poids ne fournirait pas une matière convenant à une manipulation lors de l'utilisation d'un liant classique, tandis qu'une quantité de fibres de verre inférieure à 85% en poids ne fournirait pas une matière suffisante pour absorber efficacement la cathode liquide pour réaliser une répartition uniforme de la cathode liquide entre l'anode et le collecteur de cathode. La dimension (longueur et diamètre) des fibres de verre doit être sensiblement uniforme de manière qu'au moins 90% des fibres de verre aient une longueur et un diamètre différant de moins de 20% de la longueur et du diamètre moyens des fibres de verre, et de préférence 95% ou plus des fibres de verre aient une longueur et un diamètre compris dans la plage de 20%. De préférence, la longueur et le diamètre d'au moins 90% des fibres de verre diffèrent d'environ moins de 10% de la longueur moyenne et du diamètre moyen des fibres de verre et, de façon plus préférable, 95% ou plus des fibres de verre tombent dans cette plage. Les fibres de verre devraient avoir une longueur comprise entre environ 3,18 et 12,70 mm, et de préférence d'environ 6,35 mm. Le diamètre des fibres de verre devrait être compris entre environ 2 et environ 8 [im, et de préférence entre environ 3 et environ 5 |im. On pense que les fibres de diamètre inférieur apportent une meilleure (c'est-à-dire plus rapide) mouillabilité. On pense également que, dans des séparateurs utilisant des fibres de grand diamètre, le rapport du liant à la surface spécifique des fibres, pour une quantité fixe de liant, devient supérieur et réduit donc quelque peu l'aptitude du séparateur à absorber très rapidement un liquide. Des fibres de verre ayant un diamètre inférieur à 2 um sont généralement trop petites pour fournir la résistance mécanique et les caractéristiques de manipulation souhaitées pour de faibles niveaux de liant, c'est-à-dire 15% en poids ou moins de liant. La longueur des fibres semble être importante pour de bonnes caractéristiques de mouillabilité pour le séparateur. En particulier, l'uniformité de la longueur des fibres de verre est d'une importance primordiale, car on pense qu'une large variation de la longueur des fibres de verre peut avoir pour résultat un aspect chagriné ou inégal, pouvant avoir pour résultat une absorption non uniforme de la cathode liquide, conduisant aux inconvénients indiqués ci-dessus. They should have about 85 to 95% by weight of glass fibers and about 5 to 15% by weight of binder, and preferably about 91 to 94% by weight of glass fibers and about 9 to 6% by weight of binder. An amount of glass fibers greater than 95% by weight would not provide a material suitable for handling when using a conventional binder, while an amount of glass fibers less than 85% by weight would not provide sufficient material to effectively absorb the liquid cathode to achieve uniform distribution of the liquid cathode between the anode and the cathode collector. The size (length and diameter) of the glass fibers must be substantially uniform so that at least 90% of the glass fibers have a length and a diameter which differ by less than 20% from the average length and diameter of the glass fibers , and preferably 95% or more of the glass fibers have a length and diameter in the range of 20%. Preferably, the length and diameter of at least 90% of the glass fibers differ by about less than 10% from the average length and the average diameter of the glass fibers and, more preferably, 95% or more of the glass fibers fall in this range. The glass fibers should be between about 3.18 and 12.70 mm in length, and preferably about 6.35 mm. The diameter of the glass fibers should be between about 2 and about 8 µm, and preferably between about 3 and about 5 µm. It is believed that the smaller diameter fibers provide better (i.e. faster) wettability. It is also believed that, in separators using fibers of large diameter, the ratio of the binder to the specific surface of the fibers, for a fixed quantity of binder, becomes higher and therefore somewhat reduces the ability of the separator to absorb very quickly a liquid. Glass fibers having a diameter of less than 2 µm are generally too small to provide the mechanical strength and handling characteristics desired for low levels of binder, i.e. 15% by weight or less of binder. The length of the fibers seems to be important for good wettability characteristics for the separator. In particular, uniformity in the length of the glass fibers is of primary importance, as it is believed that a wide variation in the length of the glass fibers can result in a distressed or uneven appearance, which may result in a non-uniform absorption of the liquid cathode, leading to the drawbacks indicated above.

Le liant qu'il est préférable d'utiliser dans la fabrication du séparateur devrait être un liant à l'alcool polyvinylique, car on pense qu'il favorise une vitesse de mouillage plus élevée du séparateur. D'autres liants convenables pourraient être de l'acétate de polyvinyle, du chlorure de polyvinyle et des polymères d'acétate de polyvinyle et de chlorure de polyvinyle. The binder which is preferable to use in the manufacture of the separator should be a polyvinyl alcohol binder, as it is believed to promote a higher wetting speed of the separator. Other suitable binders could be polyvinyl acetate, polyvinyl chloride and polymers of polyvinyl acetate and polyvinyl chloride.

Les séparateurs utilisés dans le contexte de la présente invention peuvent être réalisés par des techniques classiques de fabrication du papier, c'est-à-dire par préparation d'une suspension des fibres, coulée de la suspension en feuille, puis laminage et séchage de la feuille coulée. De courtes fibres de verre, inférieures à 6,35 mm; peuvent tendre à s'agglutiner, donnant un aspect chagriné à la surface supérieure de la feuille. Ainsi, lorsque la feuille est ensuite laminée, ces agglutinations sont davantage comprimées que les zones environnantes, et on pense que ces zones comprimées plus denses tendent à être mouillées à une vitesse inférieure ou à ne pas être mouillées du tout. La longueur plus uniforme des fibres de verre favorise une répartition plus uniforme des fibres de verre dans la feuille et donc des caractéristiques de mouillage plus uniformes et plus rapides du séparateur résultant. The separators used in the context of the present invention can be produced by conventional papermaking techniques, that is to say by preparing a suspension of the fibers, casting the suspension in sheets, then rolling and drying of the sheet cast. Short glass fibers, less than 6.35 mm; may tend to clump, giving a distressed appearance to the upper surface of the leaf. Thus, when the sheet is then laminated, these agglutinations are more compressed than the surrounding areas, and it is believed that these denser compressed areas tend to be wetted at a lower speed or not to be wetted at all. The more uniform length of the glass fibers promotes a more uniform distribution of the glass fibers in the sheet and therefore more uniform and faster wetting characteristics of the resulting separator.

L'épaisseur du séparateur est généralement comprise entre environ 0,051 et environ 0,254 mm, de préférence entre environ 0,127 et 0,178 mm. Une épaisseur de séparateur inférieure à 0,051 mm tend à être inefficace à cause d'une mise en court-circuit de l'anode sur le collecteur, tandis qu'une épaisseur supérieure à 0,254 mm tend à accroître excessivement la résistance interne de la pile. Des séparateurs convenant à l'invention peuvent être obtenus auprès de Crâne & Company, Inc., Dalton, Mass., sous les marques commerciales Craneglas 200, Craneglas 210 et Craneglas 230. The thickness of the separator is generally between approximately 0.051 and approximately 0.254 mm, preferably between approximately 0.127 and 0.178 mm. A separator thickness less than 0.051 mm tends to be ineffective due to shorting of the anode on the collector, while a thickness greater than 0.254 mm tends to excessively increase the internal resistance of the battery. Separators suitable for the invention can be obtained from Crane & Company, Inc., Dalton, Mass., Under the trademarks Craneglas 200, Craneglas 210 and Craneglas 230.

Le séparateur préféré possède les caractéristiques suivantes : épaisseur du séparateur: 0,127 à 0,178 mm (de préférence 0,127 mm), The preferred separator has the following characteristics: thickness of the separator: 0.127 to 0.178 mm (preferably 0.127 mm),

diamètre des fibres: environ 3 à 4 (im, fiber diameter: about 3 to 4 (im,

longueur des fibres: environ 6,35 mm (uniforme), fiber length: about 6.35 mm (uniform),

type du liant: alcool polyvinylique, type of binder: polyvinyl alcohol,

teneur en liant: 7-8% en poids (répartie uniformément aux jonctions des fibres), binder content: 7-8% by weight (evenly distributed at the fiber junctions),

uniformité d'absorption: hautement uniforme, uniformity of absorption: highly uniform,

débit préféré d'absorption à 20° C: moins d'environ 10 s pour une goutte d'eau de 0,20 ml à absorber sur la surface du séparateur, vitesse préférée d'ascension capillaire à 20° C: régulièrement inférieure à environ 45 s, de préférence d'environ 25 s ou moins demandées à de l'eau pour s'élever de 25,4 mm sur une feuille de séparateur dont la partie inférieure est plongée dans 25,4 mm d'eau. preferred absorption rate at 20 ° C: less than approximately 10 s for a drop of water of 0.20 ml to be absorbed on the surface of the separator, preferred capillary ascent rate at 20 ° C: regularly less than approximately 45 s, preferably about 25 s or less required from water to rise 25.4 mm on a separator sheet, the lower part of which is immersed in 25.4 mm of water.

Des matières de cathode liquide non aqueuses convenables à utiliser dans des piles selon l'invention peuvent comprendre du chlorure de sulfuryle, du chlorure de thionyle, de l'oxychlorure de phosphore, du bromure de thionyle, du chlorure de chromyle, du tribromure de vanadyle, de l'oxychlorure de sélénium, du monochlorure de soufre, du monobromure de soufre, du tétrafluorare de sélénium, du monobromure de sélénium, du chlorure de thiophosphoryle, du bromure de thiophosphoryle, du pentafluorure de vanadium, du tétrachlorure de plomb, du tétrachlorure de titane, du pentafluorure de soufre, du monobromuretrichlorure d'étain, du dibromuredichlo-rure d'étain, du tribromuremonochlorure d'étain et des mélanges de ces matières. Une autre matière de cathode convenable pourrait être de l'anhydride sulfureux liquide. Nonaqueous liquid cathode materials suitable for use in batteries according to the invention may include sulfuryl chloride, thionyl chloride, phosphorus oxychloride, thionyl bromide, chromyl chloride, vanadyl tribromide , selenium oxychloride, sulfur monochloride, sulfur monobromide, selenium tetrafluorare, selenium monobromide, thiophosphoryl chloride, thiophosphoryl bromide, vanadium pentafluoride, lead tetrachloride, tetrachlor titanium, sulfur pentafluoride, tin monobromuretrichloride, tin dibromuredichloride, tribromuremon tin chloride and mixtures of these materials. Another suitable cathode material could be liquid sulfur dioxide.

L'anode à utiliser dans les piles selon l'invention peut être constituée généralement de métaux consommables et peut comprendre le métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux et les alliages de métaux alcalins ou de métaux alcalino-terreux, entre eux et avec d'autres métaux. Le terme alliage utilisé ici est destiné à englober des mélanges; des solutions solides telles que lithium-magnésium, et des composés intermétalliques tels que le monoaluminiure de lithium. Les matières d'anode préférées sont les métaux alcalins et enjparticulier le lithium, le sodium et le potassium. Lorsqu'on utilise des anodes en lithium, l'anode peut être revêtue d'une résine vinylique comme décrit dans le brevet US N° 3993501, ledit brevet étant incorporé ici à titre de référence. The anode to be used in the batteries according to the invention can generally consist of consumable metals and can include alkali metals, alkaline earth metals and alloys of alkali metals or alkaline earth metals, with each other and with other metals. The term alloy used here is intended to include mixtures; solid solutions such as lithium-magnesium, and intermetallic compounds such as lithium monoaluminide. The preferred anode materials are the alkali metals and in particular lithium, sodium and potassium. When lithium anodes are used, the anode can be coated with a vinyl resin as described in US Patent No. 3,993,501, said patent being incorporated herein by reference.

Le collecteur de cathode à utiliser dans des piles convenant à l'invention doit être électroniquement conducteur afin de permettre l'établissement d'un contact électrique externe avec la matière de la cathode active et de fournir également des sites de réaction de surface étendue pour le processus électrochimique de cathode de la pile. Des matières convenant à une utilisation comme collecteur de cathode sont des matières contenant du carbone et des métaux tels que le nickel, du noir d'acétylène étant préférable. De plus, le collecteur de cathode, lorsqu'il est réalisé en une matière en particules, The cathode collector to be used in batteries suitable for the invention must be electronically conductive in order to allow the establishment of external electrical contact with the material of the active cathode and also to provide extended surface reaction sites for the electrochemical process of cell cathode. Materials suitable for use as a cathode collector are materials containing carbon and metals such as nickel, with acetylene black being preferable. In addition, the cathode collector, when made of a particulate material,

doit pouvoir être moulé directement en un boîtier ou devrait pouvoir être moulé en corps distincts, de diverses dimensions, pouvant être manipulés sans fissuration ou rupture. Pour conférer une caractéristique cohésive à certains types de collecteurs de cathode tels que des collecteurs de cathode carbonés, un liant convenable, avec ou sans plastifiants et avec ou sans stabilisants, peut être ajouté aux matières de collecteurs de cathodes. Des liants convenant à cet effet peuvent comprendre du polyvinyle, du polyéthylène, du polypropylène, des résines polyacryliques, du polystyrène et autres. Par exemple, du po-Iytétrafluoréthylène peut être le liant préféré pour des collecteurs de cathode à utiliser avec des cathodes à oxyhalogénure liquide. Si cela est nécessaire, le liant doit être ajouté en quantité comprise entre environ 5 et environ 30% en poids du collecteur de cathode moulé, car une quantité inférieure à 5% ne donne pas une résistance suffisante au corps moulé, tandis qu'une quantité supérieure à 30% rend imperméable la surface du carbone et/ou réduit la surface utilisable du carbone, réduisant ainsi les zones de sites d'activation nécessaires au processus électrochimique cathodique de la pile. De préférence, le must be capable of being molded directly into a housing or should be capable of being molded into separate bodies, of various dimensions, capable of being handled without cracking or breaking. To impart a cohesive characteristic to certain types of cathode collectors such as carbonaceous cathode collectors, a suitable binder, with or without plasticizers and with or without stabilizers, can be added to the materials of cathode collectors. Binders suitable for this purpose may include polyvinyl, polyethylene, polypropylene, polyacrylic resins, polystyrene and the like. For example, polytetrafluoroethylene may be the preferred binder for cathode collectors for use with liquid oxyhalide cathodes. If necessary, the binder should be added in an amount between about 5 and about 30% by weight of the molded cathode collector, since an amount less than 5% does not give sufficient resistance to the molded body, while an amount greater than 30% makes the surface of the carbon impermeable and / or reduces the usable surface of the carbon, thereby reducing the areas of activation sites necessary for the cathodic electrochemical process of the cell. Preferably, the

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4 4

liant devrait être compris entre 10 et 25% en poids du collecteur de cathode. Il est important, lors de la sélection des matières pour le collecteur de cathode, de sélectionner des matières qui sont chimiquement stables dans le système de la pile dans lequel elles doivent être utilisées. binder should be between 10 and 25% by weight of the cathode collector. It is important, when selecting materials for the cathode collector, to select materials that are chemically stable in the cell system in which they are to be used.

Le soluté à utiliser dans les piles convenant à l'invention peut être un sel simple ou double qui produit une solution ioniquement conductrice lorsqu'il est dissous dans un solvant convenable. Des solutés préférés pour des systèmes non aqueux sont des complexes d'acides de Lewis minéraux ou organiques et de sels minéraux ioni-sables. Les seules exigences pour l'utilisation sont que le sel, qu'il soit simple ou complexe, soit compatible avec le solvant utilisé et qu'il donne une solution ioniquement conductrice. Conformément au concept électronique ou de Lewis des acides et des bases, de nombreuses substances qui ne contiennent pas d'hydrogène actif peuvent se comporter comme des acides ou des accepteurs de doublets électroniques. Le concept de base est donné dans la littérature chimique («Journal of the Franklin Institute», vol. 226, juillet/décembre 1938, pp. 293-313, de G.N. Lewis). The solute to be used in batteries suitable for the invention may be a single or double salt which produces an ionically conductive solution when dissolved in a suitable solvent. Preferred solutes for nonaqueous systems are complexes of mineral or organic Lewis acids and ionizable mineral salts. The only requirements for use are that the salt, whether simple or complex, is compatible with the solvent used and that it gives an ionically conductive solution. According to the electronic or Lewis concept of acids and bases, many substances that do not contain active hydrogen can behave like acids or acceptors of electronic doublets. The basic concept is given in the chemical literature ("Journal of the Franklin Institute", vol. 226, July / December 1938, pp. 293-313, by G.N. Lewis).

Un mécanisme de réaction suggéré pour la façon dont ces complexes agissent dans un solvant est décrit en détail dans le brevet US N° 3542602 où il est suggéré que le sel complexe ou double formé entre l'acide de Lewis et le sel ionisable donne une entité qui est plus stable que l'un ou l'autre des composants considérés seuls. A suggested reaction mechanism for how these complexes act in a solvent is described in detail in US Patent No. 3542602 where it is suggested that the complex or double salt formed between Lewis acid and the ionizable salt gives an entity which is more stable than either of the components considered alone.

Des acides de Lewis typiques, convenant à une utilisation dans la présente invention, comprennent du fluorure d'aluminium, du bromure d'aluminium, du chlorure d'aluminium, du pentachlorure d'antimoine, du tétrachlorure de zirconium, du pentachlorure de phosphore, du fluorure de bore, du chlorure de bore et du bromure de bore. Typical Lewis acids suitable for use in the present invention include aluminum fluoride, aluminum bromide, aluminum chloride, antimony pentachloride, zirconium tetrachloride, phosphorus pentachloride, boron fluoride, boron chloride and boron bromide.

Des sels ionisables utiles en combinaison avec les acides de Lewis comprennent du fluorure de lithium, du chlorure de lithium, du bromure de lithium, du sulfure de lithium, du fluorure de sodium, du chlorure de sodium, du bromure de sodium, du fluorure de potassium, du chlorure de potassium et du bromure de potassium. Ionizable salts useful in combination with Lewis acids include lithium fluoride, lithium chloride, lithium bromide, lithium sulfide, sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium fluoride potassium, potassium chloride and potassium bromide.

Il est évident à l'homme de l'art que les sels doubles formés par un acide de Lewis et un sel ionisable peuvent être utilisés en tant que tels, ou bien les constituants individuels peuvent être ajoutés au solvant séparément pour former le sel ou les ions résultants in situ. Un tel sel double, par exemple, est celui formé par la combinaison de chlorure d'aluminium et de chlorure de lithium pour donner du tétrachlorure de lithium-aluminium. It is obvious to those skilled in the art that the double salts formed by a Lewis acid and an ionizable salt can be used as such, or the individual constituents can be added to the solvent separately to form the salt or resulting ions in situ. One such double salt, for example, is that formed by the combination of aluminum chloride and lithium chloride to give lithium aluminum tetrachloride.

Si cela est souhaité, et en particulier pour les halogénures, un co-solvant devrait être ajouté à la cathode liquide active réductible et à la solution de soluté pour modifier la constante diélectrique, la viscosité ou les propriétés du solvant de la solution afin d'obtenir une meilleure conductivité. Certains exemples de cosolvants convenables sont le nitrobenzène, le tétrahydrofuranne, le 1,3-dioxolane, la 3-mé-thyl-2-oxazolidone, le carbonate de propylène, la y-butyrolactone, le sulfolane, le sulfite d'éthylèneglycol, le sulfate de diméthyle, le chlo-5 rure de benzoyle, le diméthoxyéthane, le diméthylisoxazole, le carbonate de diéthyle, l'anhydride sulfureux et autres. If desired, and in particular for halides, a co-solvent should be added to the reducible active liquid cathode and to the solute solution to modify the dielectric constant, viscosity or solvent properties of the solution in order to get better conductivity. Some examples of suitable co-solvents are nitrobenzene, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 3-methyl-2-oxazolidone, propylene carbonate, y-butyrolactone, sulfolane, ethylene glycol sulfite, dimethyl sulphate, 5-benzoyl chloride, dimethoxyethane, dimethylisoxazole, diethyl carbonate, sulfur dioxide and others.

Le conteneur de la batterie pourrait être réalisé en acier inoxydable, en fer, en nickel, en matière plastique, des métaux revêtus ou de toute autre matière convenable. The battery container could be made of stainless steel, iron, nickel, plastic, coated metals or any other suitable material.

10 Certaines combinaisons préférées de matières non aqueuses de cathodes et d'anodes pourraient être les suivantes: Some preferred combinations of non-aqueous cathode and anode materials could be as follows:

1) chlorure de sulfuryle/Li ou Na; 1) sulfuryl chloride / Li or Na;

2) chlorure de thionyle/Li ou Na; 2) thionyl chloride / Li or Na;

3) oxychlorure de phosphore/Li ou Na; 3) phosphorus oxychloride / Li or Na;

4) monochlorure de soufre/Li ou Na; 4) sulfur monochloride / Li or Na;

5) monobromure de soufre/Li ou Na; 5) sulfur monobromide / Li or Na;

6) tétrafluorure de sélénium/Li ou Na. 6) selenium / Li or Na tetrafluoride.

De préférence, les piles à utiliser dans l'invention devraient être 20 des piles à oxyhalogénure liquide utilisant du chlorure de sulfuryle, du chlorure de thionyle ou leurs mélanges avec une anode de lithium. Preferably, the batteries to be used in the invention should be liquid oxyhalide batteries using sulfuryl chloride, thionyl chloride or their mixtures with a lithium anode.

2s Exemple I: 2s Example I:

Plusieurs piles de 12,065 mm de diamètre (lot A) ont été réalisées avec chacune une anode en lithium, un collecteur de cathode en noir d'acétylène lié par du Têflon et une solution d'électrolyte comprenant une cathode liquide de chlorure de thionyle contenant 1,5 M de 30 LiAlCl4. Un séparateur en fibres de verre non tissées, de 0,127 mm d'épaisseur, obtenu auprès de Crâne & Company, Inc., Dalton, Mass. sous le nom commercial Craneglas 200, a été placé entre l'anode et le collecteur de cathode de chaque pile. Le séparateur présentait une répartition uniforme d'environ 93% de fibres de verre, 35 ayant chacune environ 6,35 mm de longueur, et un diamètre d'environ 3,5 um, et d'environ 7% en poids d'un liant constitué d'alcool polyvinylique. Plusieurs piles similaires (lot B) ont été réalisées avec chacune les mêmes constituants que ci-dessus, sauf que le séparateur de chaque pile présentait une répartition uniforme d'environ 96% en 40 poids de fibres de verre, ayant chacune environ 6,35 mm de longueur et un diamètre d'environ 0,5 à 0,7 ^m, et environ 4% en poids d'un liant (poly)acrylique. Les piles de chaque lot ont été chargées (essai de charge abusive) à différents courants, comme indiqué dans le tableau 1, jusqu'à ce qu'elles produisent des gaz. La production de 45 gaz de chaque pile a été observée et classée comme indiqué dans le tableau 1. Several 12.065 mm diameter batteries (lot A) were produced, each with a lithium anode, a cathode collector in acetylene black bonded with Teflon and an electrolyte solution comprising a thionyl chloride liquid cathode containing 1 , 5 M of 30 LiAlCl4. A 0.127 mm thick non-woven glass fiber separator obtained from Crane & Company, Inc., Dalton, Mass. under the trade name Craneglas 200, was placed between the anode and the cathode collector of each cell. The separator had a uniform distribution of about 93% glass fibers, each about 6.35 mm long, and a diameter of about 3.5 µm, and about 7% by weight of a binder made of polyvinyl alcohol. Several similar stacks (lot B) were produced each with the same constituents as above, except that the separator of each stack had a uniform distribution of approximately 96% by weight of 40 glass fibers, each having approximately 6.35 mm in length and a diameter of about 0.5 to 0.7 ^ m, and about 4% by weight of a (poly) acrylic binder. The batteries in each batch were charged (excessive charge test) at different currents, as shown in Table 1, until they produced gases. The production of 45 gases from each cell was observed and classified as shown in Table 1.

Tableau 1 Table 1

Lot A Lot A

Lot B Lot B

Pile Battery

Charge Charge

Observation Observation

Pile Battery

Charge Charge

Observation Observation

(A) (AT)

(émission de gaz) (gas emission)

(A) (AT)

(émission de gaz) (gas emission)

1 1

1,0 1.0

* Pas d'émission de gaz * No gas emission

1 1

1,0 1.0

Bruit sifflant Whistling noise

2 2

1,0 1.0

* Pas d'émission de gaz * No gas emission

2 2

1,0 1.0

** Bruit modéré ** Moderate noise

3 3

1,8 1.8

Odeur seulement, pas de bruit Smell only, no noise

3 3

1,0 1.0

** Bruit modéré ** Moderate noise

4 4

1,5 1.5

Odeur seulement, pas de bruit Smell only, no noise

4 4

1,0 1.0

** Bruit modéré ** Moderate noise

* La pile a été rechargée à 1,5 A et a produit une émission gazeuse pour laquelle on n'a observé qu'une odeur, sans aucun bruit. ** Le bruit modéré était plus fort que le bruit sifflant. * The battery was recharged to 1.5 A and produced a gaseous emission for which only an odor was observed, without any noise. ** The moderate noise was louder than the hissing noise.

Ainsi qu'il ressort de façon évidente des données du tableau 1, le séparateur selon l'invention présente une caractéristique de sécurité lorsqu'il est utilisé dans des systèmes de piles à lithium/oxyhalogé-nure, soumis à des conditions abusives. As is evident from the data in Table 1, the separator according to the invention has a safety characteristic when it is used in lithium / oxyhalogenated battery systems, subjected to abusive conditions.

Exemple II: Example II:

Plusieurs piles du lot A et du lot B ont été réalisées comme dans l'exemple I. Chaque pile a été déchargée à travers une charge spécifique, à une tension de coupure de 2,7 V, à la suite de quoi la quantité de lithium restant dans la pile, ainsi que la puissance de sortie déli-65 vrée de chaque pile, ont été enregistrées et sont données dans le tableau 2. Un transducteur a été placé sous chaque pile, puis la flamme d'un brûleur à gaz de laboratoire a été dirigée contre la pile. La force maximale enregistrée pendant l'émission gazeuse de chaque Several batteries from batch A and batch B were produced as in Example I. Each battery was discharged through a specific charge, at a cut-off voltage of 2.7 V, after which the quantity of lithium remaining in the stack, as well as the deli-65 power output of each stack, were recorded and are given in Table 2. A transducer was placed under each stack, then the flame of a laboratory gas burner was aimed at the stack. The maximum force recorded during the gas emission of each

5 5

653 808 653,808

pile a été observée et est indiquée dans le tableau 2. Les données indiquées dans le tableau 2 montrent clairement les résultats supéExemple III: cell was observed and is indicated in table 2. The data indicated in table 2 clearly show the results above Example III:

Trois piles du lot A et trois piles du lot B ont été réalisées comme dans l'exemple I. Les piles de chaque lot ont été stockées à 71° C 25 Three stacks of lot A and three stacks of lot B were made as in Example I. The stacks of each lot were stored at 71 ° C.

Ainsi qu'il est mis en évidence par les données indiquées dans le tableau 3, le comportement des piles utilisant le séparateur selon rieurs que l'on peut obtenir dans une pile à cathode liquide utilisant le séparateur selon l'invention. As is shown by the data indicated in Table 3, the behavior of the cells using the separator according to laughers which can be obtained in a liquid cathode cell using the separator according to the invention.

pendant un mois, puis ont été déchargées à travers une charge de 75 £2, et la tension observée pour chaque pile a été enregistrée. La tension moyenne observée pour trois piles de chaque lot de piles, en fonction du temps, est donnée dans le tableau 3. for a month, then were discharged through a charge of £ 75 2, and the voltage observed for each battery was recorded. The average voltage observed for three batteries in each batch of batteries, as a function of time, is given in table 3.

l'invention a été très supérieur au comportement des piles utilisant des séparateurs. the invention was much superior to the behavior of batteries using separators.

Tableau 2 Table 2

Charge (£2) Charge (£ 2)

15 15

25 25

35 35

50 50

75 75

250 250

Débit approximatif de la pile (Ah) Approximate battery flow (Ah)

0,22 0.22

0,32 0.32

0,50 0.50

0,60 0.60

0,78 0.78

1,18 1.18

Grammes approximatifs de Li restant Approximate grams of Li remaining

0,27 0.27

0,25 0.25

0,20 0.20

0,17 0.17

0,13 0.13

0,02 0.02

Force d'émission gazeuse (N) Gas emission force (N)

Nombre de piles du lot A Number of batteries in lot A

Environ 155,75 About 155.75

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

Environ 53,4 About 53.4

2 2

2 2

1 1

2 2

1 1

0 0

Environ 22,25 About 22.25

3 3

3 3

3 3

1 1

1 1

1 1

Force d'émission gazeuse (N) Gas emission force (N)

Nombre de piles du lot B Number of batteries in lot B

Environ 155,75 About 155.75

4 4

3 3

2 2

2 2

1 1

0 0

Environ 53,4 About 53.4

0 0

1 1

1 1

2 2

2 2

1 1

Environ 22,25 About 22.25

0 0

1 1

2 2

1 1

2 2

1 1

Tableau 3 Table 3

Temps (s) Time (s)

Lot A Lot A

Lot B Lot B

Tension (V) Voltage (V)

Tension (V) Voltage (V)

0,8 0.8

2,38 2.38

2,00 2.00

1,0 1.0

2,40 2.40

2,20 2.20

3,0 3.0

2,80 2.80

2,44 2.44

5,0 5.0

2,85 2.85

2,62 2.62

7,0 7.0

2,88 2.88

2,73 2.73

9,0 9.0

2,90 2.90

2,81 2.81

R R

Claims (11)

653 808653,808 1. Pile non aqueuse comprenant une cathode liquide, une anode active, un collecteur de cathode et un séparateur disposé entre ladite anode et ledit collecteur de cathode, caractérisée par le fait que le séparateur comprend un mélange uniforme de 85 à 95% en poids de fibres de verre et de 15 à 5% en poids de liant, lesdites fibres de verre ayant une longueur de 3,18 à 12,70 mm et un diamètre de 2 à 8 |im, et dans laquelle au moins 90% des fibres de verre diffèrent de moins de 20% de la longueur moyenne des fibres de verre et diffèrent de moins de 20% du diamètre moyen des fibres de verre. 1. A non-aqueous cell comprising a liquid cathode, an active anode, a cathode collector and a separator arranged between said anode and said cathode collector, characterized in that the separator comprises a uniform mixture of 85 to 95% by weight of glass fibers and 15 to 5% by weight of binder, said glass fibers having a length of 3.18 to 12.70 mm and a diameter of 2 to 8 µm, and in which at least 90% of the fibers glass differ by less than 20% from the average length of the glass fibers and differ by less than 20% from the average diameter of the glass fibers. 2. Pile non aqueuse selon la revendication 1, dans laquelle au moins 95% des fibres de verre diffèrent de moins de 20% de la longueur moyenne des fibres de verre et de moins de 20% du diamètre moyen des fibres de verre. 2. A non-aqueous cell according to claim 1, in which at least 95% of the glass fibers differ by less than 20% from the average length of the glass fibers and by less than 20% from the average diameter of the glass fibers. 2 2 REVENDICATIONS 3. Pile non aqueuse selon la revendication 1, dans laquelle au moins 95% des fibres de verre diffèrent de moins de 10% de la longueur moyenne des fibres de verre et de moins de 10% du diamètre des fibres de verre. 3. A nonaqueous cell according to claim 1, in which at least 95% of the glass fibers differ by less than 10% from the average length of the glass fibers and by less than 10% from the diameter of the glass fibers. 4. Pile non aqueuse selon la revendication 1, dans laquelle les fibres de verre ont une longueur d'environ 6,35 mm et un diamètre compris entre environ 3 et 4 pm. 4. The non-aqueous cell according to claim 1, wherein the glass fibers have a length of about 6.35 mm and a diameter of between about 3 and 4 µm. 5. Pile non aqueuse selon la revendication 1, dans laquelle le liant est choisi dans le groupe comprenant de l'alcool polyvinylique, de l'acétate de polyvinyle, du chlorure de polyvinyle et des polymères d'acétate de polyvinyle et de chlorure de polyvinyle. 5. A nonaqueous cell according to claim 1, in which the binder is chosen from the group comprising polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride and polymers of polyvinyl acetate and polyvinyl chloride . 6. Pile non aqueuse selon la revendication 1, dans laquelle les fibres de verre constituent 91 à 94% en poids du séparateur et le liant constitue 6 à 9% en poids. 6. A nonaqueous cell according to claim 1, in which the glass fibers constitute 91 to 94% by weight of the separator and the binder constitutes 6 to 9% by weight. 7. Pile non aqueuse selon l'une des revendications 1,4, 5 ou 6, dans laquelle le séparateur présente une épaisseur comprise entre 0,051 et 0,254 mm. 7. Non-aqueous cell according to one of claims 1,4, 5 or 6, wherein the separator has a thickness between 0.051 and 0.254 mm. 8. Pile non aqueuse selon la revendication 7, dans laquelle le séparateur présente une épaisseur comprise entre 0,127 et 0,178 mm. 8. A non-aqueous cell according to claim 7, in which the separator has a thickness of between 0.127 and 0.178 mm. 9. Pile non aqueuse selon la revendication 7, dans laquelle la cathode liquide comprend au moins un oxyhalogénure liquide choisi dans le groupe constitué du chlorure de thionyle, du chlorure de sul-furyle, de l'oxychlorure de phosphore, du bromure de thionyle, du chlorure de chromyle, du tribromure de vanadyle et de l'oxychlorure de sélénium. 9. A non-aqueous cell according to claim 7, in which the liquid cathode comprises at least one liquid oxyhalide chosen from the group consisting of thionyl chloride, sul-furyl chloride, phosphorus oxychloride, thionyl bromide, chromyl chloride, vanadyl tribromide and selenium oxychloride. 10. Pile non aqueuse selon la revendication 9, dans laquelle l'oxyhalogénure liquide est du chlorure de thionyle. 10. The nonaqueous cell of claim 9, wherein the liquid oxyhalide is thionyl chloride. .11. Pile non aqueuse selon la revendication 7, dans laquelle l'anode est choisie dans le groupe comprenant du lithium, du sodium, du calcium, du potassium et de l'aluminium. .11. The non-aqueous cell according to claim 7, wherein the anode is selected from the group comprising lithium, sodium, calcium, potassium and aluminum.
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